DE3445380A1

DE3445380A1 - Process for fabricating high-precision thin-film resistors

Info

Publication number: DE3445380A1
Application number: DE19843445380
Authority: DE
Inventors: Winfried Dr.sc.nat. DDR 8019 Dresden Brückner; Karl-Heinz Dr.rer.nat. DDR 8020 Dresden Bäther; Manfred Dipl.-Ing. DDR 1200 Frankfurt Kern; Lienhard Dr.-Ing. Pagel; Hartmut Dr.rer.nat. DDR 8010 Dresden Schreiber
Original assignee: Halbleiterwerk Frankfurt Oder VEB
Current assignee: Halbleiterwerk Frankfurt Oder VEB
Priority date: 1983-12-14
Filing date: 1984-12-13
Publication date: 1985-07-04
Also published as: DD223002A1

Abstract

The invention relates to the field of microelectronics and can be used in fabricating thin-film resistors. The purpose of the invention is to increase the quality of the components and the yield from the technological process. The object of the invention is to design a process, in which a resistive film is produced which, in addition to the base alloy, contains gaseous elements in bound form and in which the resistive film and a further thin film are configured in such a way that the synchronism properties of the resistive elements are improved. This object is achieved according to the invention by applying, after the deposition of the resistive film, an additional resistive film on top made from the same base alloy which, however, contains a smaller amount or none of the gaseous elements, and by carrying out, after configuring the thin-film resistors and the printed conductor elements, contact elements and other structural elements, a heat treatment in an atmosphere which contains at least 5 atom % of the gaseous elements.

Description

Verfahren zur Herstellung von DünnschichtwiderständenProcess for the production of thin film resistors

hoher Präzision Die Erfindung betrifft das Gebiet der Mikroelektronik, Objekte, bei denen die Erfindung anwendbar ist, sind Verfahren zur Herstellung von monolithischen oder Hybridschaltkreisen mit Dünnschichtwiderständen oder Dünnachicht-Chipwiderstandsnetzwerke, z. B. R-2R-Netzwerke für hochgenaue AnalogDigital-Wandler oder ähnliche Präzisionsschaltkreise.high precision The invention relates to the field of microelectronics, Objects to which the invention is applicable are methods of making monolithic or hybrid circuits with thin-film resistors or thin-notch chip resistor networks, z. B. R-2R networks for high-precision analog-to-digital converters or similar precision circuits.

Als Dünnschicht-Widerstandsmaterialien werden liegierurgen mit ausschließlloh metallischen Komponenten, z. B. Cr-Ni, aber auch mit nichtmetallischen Komponenten, z. B. Cr-Si, Cr"SiO (Vermets), Ta-N, verwendet. Gewünschte Eigenschafts verbesserungen werden durch Zusätze weiterer metallischer oder nichtmetallischer Komponenten erzielt. Die Dünnschichtten werden üblicherweise durch physikalische oder chemische Schichtabscheideverfahren, z. B, Elektronenstrahlverdampfen, Sput-terverfahren oder chemische Gasphasenabscheidung, aus isolierendem Träger, meist ganzflächig, abgeschieden.As thin-film resistance materials, liegeurgen are exclusively used metallic components, e.g. B. Cr-Ni, but also with non-metallic components, z. B. Cr-Si, Cr "SiO (Vermets), Ta-N, used. Desired property improvements are achieved by adding further metallic or non-metallic components. The thin layers are usually made by physical or chemical layer deposition processes, z. B, electron beam evaporation, sputtering or chemical vapor deposition, from an insulating carrier, mostly over the whole area, deposited.

Eine Möglichkeits die Eigenschaften der Dünnachichten gezielt zu verbessern, z. B, den Flächenwiderstand zu erhöhen, besteht im zusätzlichen Einbau von Sauerstoff, Stickstoff und/oder ähnlichen gasformigen Elementen. Es ist bekannt, diese Elemente während der Schichtabscheidung durch einen Eesehichtungsprozeß in einem mit diesen gasförmigen Elementen angereicherten Reaktionsgas einzubringen. Für die Herstellung der Widerstände in integrierten monolithischen und Hybridschaltkreisen ist es bekannt, die Dünnschichten durch fotolithografische Prozef3schritte und anschlieBenåes Ätzen zu strukturieren.A possibility to improve the properties of the thin layers in a targeted manner, z. B, to increase the sheet resistance, consists in the additional incorporation of oxygen, Nitrogen and / or similar gaseous elements. It is well known these elements during the layer deposition by a View process in to introduce a reaction gas enriched with these gaseous elements. For the manufacture of resistors in integrated monolithic and hybrid circuits it is known that the thin films are formed by photolithographic process steps and then Structure etching.

Als Mangel der bisher bekannten Verfahren erweist sich, daß für viele Anwendungsfälle die erreichbare Präzision der Widerstandsnetzwerke noch nicht ausreicht bzw mangelhaft ist. Eine mangelhafte Präzision zieht zumindest eine geringe Ausbeute aus dem technologischen Prozeß nach sich.As a shortcoming of the previously known methods it turns out that for many Applications the achievable precision of the resistor networks is not yet sufficient or is deficient. Poor precision draws at least a low yield from the technological process.

Weiterhin ist die Lebensdauer der Widerstandsnetzwerke meist durch allmähliche Überschreitung der Toleranzgrenzen bedingt, noch zu niedrig. Ein zusätzlicher Mangel besteht darin, daß der mögliche Arbeitstemperaturbereich der Widerstandsnetzwerke eingeengt werden muß oder aufwendige schaltungstechnische Kompensationsmaßnahmen ergriffen werden müssen, da sonst durch die temperaturabhängigen Widerstandsänderungen zulässige Toleranzgrenzen überschritten werden.Furthermore, the service life of the resistor networks is mostly through Gradual exceeding of the tolerance limits conditional, still too low. An additional Deficiency is that the possible working temperature range of the resistor networks must be narrowed or complex circuitry compensation measures must be taken, otherwise due to the temperature-dependent changes in resistance permissible tolerance limits are exceeded.

Die erreichbare Präzision, Stabilität und der mögliche Arbeitstemperaturbereich werden für viele Anwendungsfälle, z. 3. R-2R-Netzwerke in hochauflösenden Analog-Digital-Wandlern, nicht nur durch die absoluten Eigenschaften der Widerstandselemente selbst, sondern durch die Differenzen der Eigenschaften benachbarter Widerstandselemente des Widerstandsnetzwerkes entscheidend bestimmt, Die eigentliche Ursache für derartige Differenzen sind Unterschiede in den spezifischen Schichteigenschaften, z. B.The achievable precision, stability and the possible working temperature range are used for many applications, e.g. 3. R-2R networks in high-resolution analog-to-digital converters, not only through the absolute properties of the resistance elements themselves, but due to the differences in the properties of neighboring resistance elements of the resistance network decisively determined, the real cause of such differences are differences in the specific layer properties, e.g. B.

in unterschiedlichen spezifischen Widerständen der Schichten, sowie Unterschiede in den relativen Schichteigenschaften, z. B. in unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten und Alterungsraten der Widerstände, d. b., die Widerstände besitzen mangelnde Gleichlaufeigenschaften. Derartige Differenzen sind nicht durch geometrische Toleranzen bedingt, die z. B. infolge Schablonen-, Positionierungs-, Masken oder Ätzfehler entstehen.in different resistivities of the layers, as well Differences in the relative layer properties, e.g. B. in different temperature coefficients and aging rates of the resistors, d. b., the resistors have insufficient synchronism properties. Such differences are not due to geometric tolerances conditional, the z. B. arise as a result of stencils, positioning, masks or etching errors.

Ziel der Erfindung ist es, bei der Herstellung von Dünnschichtwiderständen die Qualität der Bauelemente und die Ausbeute aus dem technologischen Prozeß zu erhöhen.The aim of the invention is in the manufacture of thin-film resistors the quality of the components and the yield from the technological process raise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtwiderständen, bei dem eine Widerstandsschicht erzeugt wird, die neben der Basislegierung Sauerstoff, Stickstoff und/oder ähnliche gasförmige Elemente gebunden enthält und bei dem die Widerstandsschicht sowie weitere Dünnschichten, beispielsweise Leitbahn-, Zwischen- und Kontaktschichtens strukturiert werden, so zu gestalten, daß die Gleichlaufeigenschaften der Widerstandselemente, insbesondere bezüglich der Präzision, der Stabilität und des Temperaturverhaltens verbessert werden.The invention is based on the object of a method for production of thin-film resistors, in which a resistive layer is created next to the base alloy oxygen, nitrogen and / or similar gaseous elements contains bound and in which the resistance layer and other thin layers, for example interconnect, intermediate and contact layers are structured, so to design that the synchronization properties of the resistance elements, in particular improved in terms of precision, stability and temperature behavior will.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung dadurch gelöst, daß nach der Abscheidung der Widerstandsschicht über diese eine zusätzliche Widersandsschicht aus der gleichen Basislegierung aufgebracht wird, in der jedoch eine geringere Menge oder keines der gasförmigen Elemente enthalten ist, und daß nach der Strukturierung der Dünnschichtwi.derstände sowie der Leitbahn-, Wontakt- und sonstigen Strukturelemente eine Wärmebehandlung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die mindestens 5 at der gasförmigen Elemente enthält. Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung wird die zusätliebe Widerstandsschicht mit einer Dicke von & 5 nm aufgebracht und die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von ) 300 °C mit einer Dauer von > 10 min durchgeführt. Sofern zuerst Leitbahn-> Kontakt- und eventuell Zwischenschichten abgeschieden, diese strukturiert und erst dann die Widerstandsschicht abgeschieden wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls umzakehrens d. h., es ist zuerst die als zusätzliche Widerstandsschicht bezeichnete Schicht abzuscheiden und darüber ist die eigentliche Widerstandsschicht aufzubringen.This object is achieved according to the invention in that according to the Deposition of the resistance layer over this an additional resistance layer is applied from the same base alloy, but in a smaller amount or none of the gaseous elements is contained, and that after structuring the thin-film resistors as well as the interconnect, Wontakt and other structural elements a heat treatment is carried out in an atmosphere that is at least 5 at containing gaseous elements. According to advantageous embodiments of the invention the additional resistance layer is applied with a thickness of & 5 nm and the heat treatment at a temperature of) 300 ° C for a duration of> 10 min carried out. Provided that first interconnect-> contact and possibly intermediate layers deposited, structured this and only then deposited the resistance layer is, the method according to the invention is also reversed d. i.e., it's first the layer called the additional resistance layer to be deposited and over it the actual resistance layer is to be applied.

ll( Ci-Schichten mit einer Schichtdicke von d = 40 nm werden reaktiv mit einem dc-Plasmatron auf thermisch oxydierte Si-Scheiben (1,2 /um SiO2-Schichtdicke) gesputtert, Als Reaktivgas wird Sauerstoff mit einem Partialdruck Po2 = 4,32.10-5 Torr in Argon (PAr = 4,0.10-3 Torr) verwendet. II (Ci layers with a layer thickness of d = 40 nm become reactive with a dc plasmatron on thermally oxidized Si wafers (1.2 / um SiO2 layer thickness) sputtered, the reactive gas is oxygen with a partial pressure Po2 = 4.32.10-5 Torr in argon (PAr = 4.0.10-3 Torr) was used.

Das Target enthält Cr und Si in einem Verhältnis von etwa 0,7 und einen W-Zusatz. Anschließend wird ohne Unterbrechung des Beschichtungszyklus noch eine zusätzliche dünne (d = 5 nm) CrSi-Widerstandsschicht (Po2 ~ 3,16.10 Torr) aufgebracht. Danach wird mit einem weiteren Plasmatron eine 1,5 /um dicke Al-Schicht ohne Unterbrechung des Vakuums auf die CrSi-Schicht aufgebracht, Nachfolgend werden mit üblichen fotolithografischen Prozeßschritten und naßchemischen Ätzen zuerst Al-Leitbahnen und Kontaktflächen und anschließend die CrSi-Widerstandsschichten strukturiert. Dabei werden beide Widerstandsschichten als einheitliche Schicht behandelt. Beim Strukturieren werden quadratische Dünnschichtwiderstände mit unterschiedlicher geometrischer Größe (50x50 /um2 bis 1000x1000 /um2) erzeugt, Abschließend wird eine Wärmebehandlung bei 410 °C über 2 h an Luft durchgeführt. Die so hergestellten Dünnschichtwiderstände weisen geringere Eigenschaftsdifferenzen zwischen den geometrisch kleinsten und größten Widerständen auf, als nach bekannten Verfahren hergestellte.The target contains Cr and Si in a ratio of about 0.7 and a W addition. Then without interrupting the coating cycle an additional thin (d = 5 nm) CrSi resistance layer (Po2 ~ 3.16.10 Torr) is applied. Then, with another plasmatron, a 1.5 μm thick Al layer is created without interruption The vacuum is applied to the CrSi layer, subsequently using conventional photolithographic Process steps and wet chemical etching first Al interconnects and contact surfaces and then structured the CrSi resistance layers. Both will Resistance layers treated as a single layer. When structuring become square thin-film resistors with different geometrical sizes (50x50 / um2 to 1000x1000 / um2), then a heat treatment at 410 ° C carried out for 2 h in air. The thin-film resistors produced in this way show lower property differences between the geometrically smallest and largest Resistors than produced by known processes.

Die Differenzen im Temperaturkoeffizient der Widerstände (gemessen zwischen 20 oG und 120 °C) verringern sich auf < 15 % (100 % # jeweils den besten Werten bekannter Verfahren. Die Differenzen in der Alterungsrate (aus der Lagerung über 1000 h bei 120 °C an Luft ermittelt) verringern sich auf # 85 %.The differences in the temperature coefficient of the resistances (measured between 20 oG and 120 ° C) are reduced to <15% (100% # the best in each case Values of known methods. The differences in the aging rate (from storage determined over 1000 h at 120 ° C in air) decrease to # 85%.

Claims

Claim 1. Process for the production of thin-film resistors of high precision, in which a resistance layer is produced which, in addition to the base alloy, oxygen, Contains nitrogen and / or similar gaseous elements bound, and in which the resistance layer and further thin layers, for example, web, intermediate and contact layers, are structured, characterized in that after the deposition of the resistance layer over this an additional resistance layer from the The same base alloy is applied, but in which a smaller amount or none of the gaseous elements is contained, and that after the structuring of the thin-film resistors and the interconnect, contact and other structural elements, a heat treatment is carried out in an atmosphere that is at least 5 at% of Contains gaseous elements.

2. The method according to item 1, characterized in that the additional Resistance layer is applied with a thickness of 5 nm.

3. The method according to item 1, characterized in that the heat treatment carried out at a temperature of> 300 ° C and with a duration of> 10 min will.